考慮纜機(jī)雙平臺(tái)干擾的混凝土壩兩倉(cāng)聯(lián)合澆筑機(jī)械配置優(yōu)化研究

(三峽大學(xué)水利與環(huán)境學(xué)院，湖北宜昌443002)

混凝土壩施工具有施工工序多，施工強(qiáng)度大的特點(diǎn)。施工進(jìn)度、質(zhì)量及效益的綜合最優(yōu)是長(zhǎng)期以來(lái)混凝土壩施工追求的根本目標(biāo)。施工機(jī)械協(xié)同作業(yè)水平直接決定壩體施工進(jìn)度及質(zhì)量[1]。研究者從不同角度研究了此類問(wèn)題。田康健[2]建立了面向時(shí)間參數(shù)約束的施工資源調(diào)度模型，為水利工程施工資源調(diào)配提供參考；S.Thomas[3]等提出應(yīng)用PDA方法解決資源分配問(wèn)題, 即使在不連續(xù)的施工中仍然可以達(dá)到資源浪費(fèi)的最小化;常春光[4]應(yīng)用規(guī)劃理論建立了資源配置線性規(guī)劃模型。另有不少學(xué)者對(duì)施工機(jī)械配置做了相關(guān)研究[5-8]?？紤]施工工藝、壩體生長(zhǎng)及澆筑能力各方面的要求，混凝土壩通常理解為幾十個(gè)澆筑壩段及數(shù)以千計(jì)的澆筑倉(cāng)逐倉(cāng)澆筑上升。單倉(cāng)排隊(duì)澆筑雖然可用資源充足，但機(jī)械整體利用率不高，澆筑強(qiáng)度有限，導(dǎo)致整體進(jìn)度落后于計(jì)劃進(jìn)度。兩倉(cāng)聯(lián)合澆筑一定程度上能改善進(jìn)度落后問(wèn)題，但對(duì)施工安全及施工機(jī)械配置提出了挑戰(zhàn)。因此，利用有限機(jī)械資源，優(yōu)化施工機(jī)械配置，充分發(fā)揮兩倉(cāng)聯(lián)合澆筑優(yōu)勢(shì)對(duì)大壩施工意義重大。

纜機(jī)作為混凝土壩施工混凝土運(yùn)輸入倉(cāng)的唯一施工機(jī)械，其高效運(yùn)行對(duì)澆筑施工意義重大，其配置問(wèn)題是機(jī)械優(yōu)化的首要難題。纜機(jī)平臺(tái)通常布置為單平臺(tái)或高低線雙平臺(tái)。纜機(jī)的布置、選型及臺(tái)數(shù)的確定取決于實(shí)際工程的施工進(jìn)度及澆筑生產(chǎn)率等技術(shù)指標(biāo)。纜機(jī)與纜機(jī)間作業(yè)干擾問(wèn)題普遍存在。鐘登華[9]等綜合考慮各種復(fù)雜的施工約束條件，建立了高拱壩施工質(zhì)量與進(jìn)度實(shí)時(shí)控制數(shù)學(xué)模型；李喆[10]基于充裕度規(guī)則分析了小灣水電站壩體澆筑各要素之間的相互影響；馮誠(chéng)誠(chéng)[11]等針對(duì)單平臺(tái)纜機(jī)布置形式做了高拱壩雙倉(cāng)聯(lián)合澆筑的空間沖突問(wèn)題研究。雙平臺(tái)纜機(jī)布置由于存在高度差的影響，其整體干擾問(wèn)題另有特點(diǎn)。因此，在研究?jī)蓚}(cāng)聯(lián)合澆筑機(jī)械配置優(yōu)化模擬問(wèn)題中有必要考慮雙平臺(tái)纜機(jī)作業(yè)干擾對(duì)兩倉(cāng)聯(lián)合澆筑的影響。

1 施工系統(tǒng)組成

混凝土壩澆筑施工是一個(gè)由混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸及澆筑合理規(guī)劃的有序過(guò)程。因此，可以將澆筑施工全過(guò)程視作一個(gè)總系統(tǒng)，而混凝土生產(chǎn)、運(yùn)輸、壩體澆筑即3個(gè)分系統(tǒng)。3個(gè)分系統(tǒng)不是完全獨(dú)立的，其有序銜接保障了壩體正常澆筑施工。其中，混凝土生產(chǎn)分系統(tǒng)決定生產(chǎn)強(qiáng)度；運(yùn)輸分系統(tǒng)是聯(lián)結(jié)混凝土生產(chǎn)制備與倉(cāng)面澆筑的紐帶，保障運(yùn)輸強(qiáng)度；澆筑分系統(tǒng)決定倉(cāng)面澆筑資源的合理利用及澆筑強(qiáng)度。

拌合樓生產(chǎn)制備混凝土的能力決定自卸汽車水平運(yùn)輸、纜機(jī)垂直運(yùn)輸及倉(cāng)面澆筑能力，把控壩體施工進(jìn)度及混凝土澆筑質(zhì)量；自卸汽車、纜機(jī)運(yùn)輸能力直接影響倉(cāng)面澆筑進(jìn)度；倉(cāng)面澆筑進(jìn)度及施工質(zhì)量又受到倉(cāng)面平倉(cāng)機(jī)、振搗機(jī)作業(yè)能力制約。施工系統(tǒng)全過(guò)程見(jiàn)圖 1。

2 優(yōu)化模型建立

機(jī)械優(yōu)化配置前提是掌握機(jī)械系統(tǒng)參數(shù)，充分利用每一種施工機(jī)械在澆筑施工中的作業(yè)能力，把握各施工機(jī)械相輔相成協(xié)調(diào)作業(yè)的特性，通過(guò)合理配置取得機(jī)械種類及數(shù)量的組合最優(yōu)，爭(zhēng)取最大化的整體工作效率。

圖1 混凝土壩施工系統(tǒng)示意

混凝土壩施工中，施工方案不是一成不變的，往往存在由于天氣及資源限制等原因?qū)е逻M(jìn)度落后，需要及時(shí)調(diào)整施工方案。施工方案的改變意味著現(xiàn)有機(jī)械配置方案的調(diào)整。壩體施工中各類施工機(jī)械的協(xié)同作業(yè)水平直接決定著大壩建設(shè)的施工強(qiáng)度、進(jìn)度及質(zhì)量。因此混凝土壩施工機(jī)械的優(yōu)化配置模型的建立對(duì)于澆筑施工意義重大。

優(yōu)化配置的模型建立可分為以下3個(gè)環(huán)節(jié)：明確各施工機(jī)械的種類、型號(hào)及規(guī)格參數(shù)，確定其作業(yè)能力；由現(xiàn)有機(jī)械設(shè)備確定所有可行的施工機(jī)械聯(lián)合方案；根據(jù)優(yōu)化目標(biāo)，確定優(yōu)化配置方案。其中，對(duì)于目標(biāo)的優(yōu)化需考慮現(xiàn)有約束條件，并建立評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。在機(jī)械數(shù)量有限的情況下，滿足約束條件的機(jī)械配置方案構(gòu)成施工方案集，根據(jù)設(shè)定的優(yōu)化指標(biāo)及目標(biāo)函數(shù)選出最優(yōu)配置方案。

總結(jié)出混凝土壩兩倉(cāng)聯(lián)合澆筑施工機(jī)械優(yōu)化配置模型構(gòu)建的一般性原則：①合理利用纜機(jī)富裕澆筑能力，明確優(yōu)化目標(biāo)；②確保纜機(jī)能夠覆蓋到工程全壩段，避免澆筑“死角”；③施工機(jī)械性能好，配套機(jī)械可使主導(dǎo)機(jī)械的效率充分發(fā)揮；④在保證施工質(zhì)量的前提下，同時(shí)滿足各階段施工強(qiáng)度的要求；⑤兩倉(cāng)聯(lián)合澆筑時(shí)考慮纜機(jī)干擾及空間沖突。

2.1 優(yōu)化目標(biāo)

在考慮兩倉(cāng)聯(lián)合澆筑情況下的施工機(jī)械配置優(yōu)化是一個(gè)多目標(biāo)、多層次的系統(tǒng)規(guī)劃問(wèn)題。主要目標(biāo)有：施工總工期、施工強(qiáng)度、機(jī)械設(shè)備利用率及施工成本。

a) 總工期P：針對(duì)不同機(jī)械配置方案會(huì)有不同的施工澆筑時(shí)間，工期最短是機(jī)械優(yōu)化配置需考慮的首要目標(biāo)，即min(P)。

b) 施工強(qiáng)度S：機(jī)械優(yōu)化配置的最終目標(biāo)是滿足施工強(qiáng)度，完成澆筑任務(wù)，即max(S)。

c) 設(shè)備利用率ρ：各分系統(tǒng)中機(jī)械設(shè)備的利用率保證了機(jī)械優(yōu)化配置方案的可行性，即max(ρ1ρ2…ρn)。

d) 施工成本C：各施工機(jī)械運(yùn)行成本總和

式中Cj——第j種垂直吊運(yùn)機(jī)械運(yùn)輸?shù)膯挝怀杀?；Qjp——在p時(shí)段第j種垂直吊運(yùn)機(jī)械的實(shí)際運(yùn)輸量；Ci——第i種水平運(yùn)輸機(jī)械運(yùn)輸?shù)膯挝怀杀?；Qijp——在p時(shí)段，與第j種垂直吊運(yùn)機(jī)械配套的第i種水平運(yùn)輸機(jī)械的實(shí)際運(yùn)輸量。

成本與工期、效率是相互矛盾的，為解決進(jìn)度滯后、強(qiáng)度低的核心問(wèn)題，本文中對(duì)成本不做過(guò)多考慮。

2.2 邊界約束條件

a) 機(jī)械數(shù)量約束：高拱壩倉(cāng)面施工可用纜機(jī)數(shù)ml受纜機(jī)總數(shù)M約束。

對(duì)于逐倉(cāng)澆筑：ml≤M

對(duì)于雙倉(cāng)聯(lián)合澆筑：ml1

式中S、h——澆筑倉(cāng)面積及坯層厚度；Pl——纜機(jī)生產(chǎn)率，T0——坯層覆蓋時(shí)間。

b) 機(jī)械性能約束：施工強(qiáng)度受各施工機(jī)械作業(yè)能力制約，需合理配置機(jī)械型號(hào)及運(yùn)行參數(shù)。

c) 機(jī)械排隊(duì)時(shí)間約束：由于澆筑施工中，各分系統(tǒng)之間的工作離散性的，使得自卸汽車在拌合樓受料和供料平臺(tái)卸料兩個(gè)環(huán)節(jié)均存在一個(gè)理論的排隊(duì)等待時(shí)間T1、T2。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)保證每次等待時(shí)間在上述時(shí)間范圍內(nèi)。該時(shí)間需綜合考慮拌和生產(chǎn)、運(yùn)輸及澆筑的相互影響，保障混凝土質(zhì)量。

T1i≤T1；T2i≤T2

d) 澆筑面貌約束：根據(jù)高拱壩壩體生長(zhǎng)特性及施工技術(shù)要求，澆筑壩段需滿足與相鄰壩段最大或最小懸臂高差限制要求。

最大高差限制:Hi-Hi+1≤Hmax；Hi-Hi-1≤Hmax

最小高差限制:Hi-1-Hi≤Hmin；Hi+1-Hi≤Hmin

e) 控制性時(shí)間約束：澆筑施工需綜合考慮對(duì)混凝土溫控及澆筑質(zhì)量的影響，因此需滿足間歇期等控制性時(shí)間約束。要求澆筑時(shí)間控制在各典型壩段澆筑塊控制性時(shí)間T(x)內(nèi)。

Ti

f) 纜機(jī)控制范圍約束：為避免多臺(tái)纜機(jī)聯(lián)合澆筑產(chǎn)生的干擾，需確定纜機(jī)澆筑控制范圍。假設(shè)每臺(tái)纜機(jī)對(duì)上下游的可控范圍為Cs(i)、Cx(i)，纜機(jī)適用于待澆倉(cāng)需滿足的總體條件為：

Cs(x)≤Cs(i)；Cx(x)≤Cx(i)

g) 雙倉(cāng)聯(lián)合澆筑時(shí)壩段間隔約束：考慮施工安全及效率問(wèn)題，雙倉(cāng)聯(lián)合澆筑情況下待澆兩壩段的壩段間隔數(shù)不小于3。

h) 雙平臺(tái)纜機(jī)干擾約束：纜機(jī)干擾約束主要包括取料約束、維修約束、澆筑約束。

纜機(jī)間的干擾主要指纜機(jī)共同作業(yè)時(shí)纜機(jī)與纜機(jī)之間的距離，該距離不是兩者之間的直線距離D，而是指考慮安全運(yùn)行及工作效率保障的有效距離Defficient。通常情況下，取直線距離加上2～3個(gè)澆筑條帶寬度L,即Defficient=D+(2～3)L。

在雙平臺(tái)纜機(jī)雙倉(cāng)聯(lián)合澆筑中，假設(shè)所有纜機(jī)均處于工作狀態(tài)，且由于纜機(jī)高低線布置的平臺(tái)本身存在高度差h，而纜機(jī)吊灌在受料平臺(tái)上的高度差干擾也需考慮吊灌運(yùn)行的安全與效率，限制雙平臺(tái)纜機(jī)吊灌高差hi>h。

2.3 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

a) 月實(shí)際施工強(qiáng)度與計(jì)劃施工強(qiáng)度差值ΔS=∑S實(shí)際-∑S計(jì)劃，ΔS越大，則方案越優(yōu)。

b) 纜機(jī)作為唯一的混凝土垂直運(yùn)輸入倉(cāng)機(jī)械，其工作效率直接決定澆筑強(qiáng)度。單臺(tái)纜機(jī)運(yùn)行效率指某月第K臺(tái)纜機(jī)工作時(shí)間占當(dāng)月日歷時(shí)間的比值：

c) 倉(cāng)面機(jī)械生產(chǎn)強(qiáng)度與混凝土設(shè)計(jì)入倉(cāng)強(qiáng)度的吻合程度σ。σ越小，則倉(cāng)面機(jī)械生產(chǎn)力越接近入倉(cāng)強(qiáng)度，不會(huì)造成澆筑滯后，對(duì)澆筑質(zhì)量影響越小，方案越優(yōu)。

σ(i)=P倉(cāng)面-P入倉(cāng)

d) 機(jī)械數(shù)量N。由于倉(cāng)面面積及施工設(shè)備、人員的限制，同等條件下，滿足優(yōu)化目標(biāo)及約束條件下的機(jī)械配置數(shù)量越少，則所受干擾越小。

2.4 纜機(jī)

纜機(jī)工作循環(huán)時(shí)間Tl一般可理解為固定工作時(shí)間、可變工作時(shí)間及輔助工作時(shí)間之和。通常單循環(huán)時(shí)間Tl為6～10 min。

a) 纜機(jī)投入數(shù)量確定

式中ml——纜機(jī)數(shù)量；S——澆筑倉(cāng)面積；h——坯層厚度，一般取0.5 m；Tl——纜機(jī)單循環(huán)時(shí)間；T0——混凝土坯層覆蓋時(shí)間。

c) 平倉(cāng)機(jī)與纜機(jī)數(shù)量關(guān)系確定。小灣、溪洛渡等大量工程實(shí)踐表明，倉(cāng)面澆筑質(zhì)量的要求決定了平倉(cāng)機(jī)、振搗機(jī)與纜機(jī)之間難以滿足基于澆筑強(qiáng)度的數(shù)量關(guān)系。倉(cāng)面澆筑通常分區(qū)、分條帶進(jìn)行，確保每臺(tái)纜機(jī)可控卸料區(qū)域內(nèi)均勻配備一臺(tái)平倉(cāng)機(jī)及振搗機(jī)能有效控制混凝土平倉(cāng)及振搗，不會(huì)形成料堆，保證澆筑質(zhì)量。因此平倉(cāng)機(jī)、振搗機(jī)與纜機(jī)數(shù)量1∶1配備。建立施工機(jī)械優(yōu)化配置模型見(jiàn)圖 2。

圖2 機(jī)械優(yōu)化配置模型

3 工程實(shí)例

某高拱壩施工期年計(jì)劃澆筑強(qiáng)度為200萬(wàn)m3，高峰月澆筑強(qiáng)度達(dá)20.2萬(wàn)m3。截至本年度3月，計(jì)劃總澆筑強(qiáng)度44.1萬(wàn)m3，實(shí)際總澆筑強(qiáng)度為39.2萬(wàn)m3。前期均采用逐倉(cāng)澆筑，澆筑強(qiáng)度較低導(dǎo)致整體澆筑進(jìn)度落后于計(jì)劃進(jìn)度。4月計(jì)劃施工強(qiáng)度為17.6萬(wàn)m3。為加快施工進(jìn)度，計(jì)劃4月改逐倉(cāng)排隊(duì)澆筑為兩倉(cāng)聯(lián)合澆筑。

a) 施工分系統(tǒng)配置參數(shù)。工程共有高、低線兩座混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)，生產(chǎn)能力大于500 m3/h。共布置雙平臺(tái)(高線1、2、3、低線4、5、6、7號(hào)交錯(cuò)布置)7臺(tái)平移式纜機(jī)，額定容量9 m3，與高、低線供料平臺(tái)配套使用。纜機(jī)小車水平運(yùn)行速度為8.0 m/s，垂直運(yùn)行速度為(2.5～3.5 m/s)。SD13S型平倉(cāng)機(jī)小時(shí)作業(yè)強(qiáng)度為180 m3/h，攤鋪層厚度為0.5 m，一層混凝土攤鋪次數(shù)為2次。振搗機(jī)采用VBH13S-8EHL型8棒φ150自行液壓式振搗機(jī)，作業(yè)強(qiáng)度為165 m3/h；自卸汽車單次循環(huán)時(shí)間為13.4 min，小時(shí)運(yùn)輸能力為40.3 m3/h。

b) 澆筑控制性時(shí)間。間歇期含廊道倉(cāng)取14～16 d，典型倉(cāng)取5～7 d，牛腿等復(fù)雜結(jié)構(gòu)倉(cāng)取12 d，底孔倉(cāng)取16～20 d。坯層覆蓋時(shí)間不高于5 h。

c) 纜機(jī)控制范圍。7臺(tái)平移式纜機(jī)均能控制澆筑全壩段上下游范圍。

d) 干擾約束。雙倉(cāng)聯(lián)合澆筑時(shí)兩倉(cāng)間隔壩段數(shù)不小于3；同平臺(tái)兩臺(tái)纜機(jī)靠近時(shí)主索間最小距離D為10 m(高線)/12.5 m(低線)，不同平臺(tái)兩臺(tái)纜機(jī)運(yùn)行主索間最小安全距離為6 m。運(yùn)行時(shí)纜機(jī)間有效距離De因澆筑倉(cāng)順河向長(zhǎng)度L變化引起澆筑條帶長(zhǎng)度變化，每倉(cāng)按8條帶劃分區(qū)域。取De=D+(2～3)L/8；高、低平臺(tái)高差為66 m，不同平臺(tái)吊灌運(yùn)行有效高度差H>66 m。

在對(duì)4月施工機(jī)械配置方案的分析比選中，最終得到以纜機(jī)為主導(dǎo)的兩種優(yōu)化方案。優(yōu)化方案一：為高平臺(tái)3臺(tái)纜機(jī)澆筑一倉(cāng)，低平臺(tái)4臺(tái)纜機(jī)澆筑另一倉(cāng)，平倉(cāng)機(jī)、振搗機(jī)數(shù)量以1∶1配對(duì)纜機(jī)，自卸汽車數(shù)量以2∶1配對(duì)纜機(jī)。優(yōu)化方案二：當(dāng)高低平臺(tái)纜機(jī)混用時(shí)，高、低平臺(tái)纜機(jī)分別3臺(tái)澆筑兩壩段，低平臺(tái)第四臺(tái)纜機(jī)靈活澆筑兩壩段，平倉(cāng)機(jī)、振搗機(jī)數(shù)量比纜機(jī)數(shù)量多1，自卸汽車數(shù)量以2∶1配對(duì)纜機(jī)。以聯(lián)合澆筑典型倉(cāng)為例，見(jiàn)表 1。

表1 各典型倉(cāng)機(jī)械配置結(jié)果

對(duì)比分析得知(表 2)，本年度3月共計(jì)澆筑歷時(shí)853 h，澆筑34倉(cāng)，總計(jì)單倉(cāng)排隊(duì)澆筑強(qiáng)度為15.4萬(wàn)m3，平均澆筑強(qiáng)度185.43 m3/h，纜機(jī)平均澆筑強(qiáng)度為66.03 m3/h，平均單倉(cāng)澆筑耗時(shí)25.08 h；4月共計(jì)澆筑歷時(shí)1 191 h，兩倉(cāng)聯(lián)合澆筑天數(shù)13 d，占日歷天數(shù)43.3%。共澆筑39倉(cāng)，總計(jì)澆筑強(qiáng)度19.1萬(wàn) m3，比3月增長(zhǎng)3.7萬(wàn) m3，比原計(jì)劃4月澆筑強(qiáng)度提升1.5萬(wàn) m3。平均澆筑強(qiáng)度162.20 m3/h，纜機(jī)平均澆筑強(qiáng)度為70.37 m3/h，平均單倉(cāng)澆筑耗時(shí)30.55 h。設(shè)計(jì)方量與實(shí)際入倉(cāng)澆筑方量吻合程度較好，機(jī)械利用程度高。

表2 澆筑強(qiáng)度對(duì)比

各纜機(jī)3、4月運(yùn)行情況見(jiàn)表 3。

表3 各纜機(jī)工作效率對(duì)比 %

對(duì)比發(fā)現(xiàn)，兩倉(cāng)聯(lián)合澆筑雖較單倉(cāng)澆筑耗時(shí)增長(zhǎng)，但合理的機(jī)械配置提高了機(jī)械利用率，澆筑強(qiáng)度增加。在這一思想基礎(chǔ)上，可確定方案優(yōu)化后的整體施工強(qiáng)度將顯著增加，工期將較之前得到顯著縮短。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)高拱壩工程混凝土澆筑施工特點(diǎn)和施工系統(tǒng)分析，充分利用施工機(jī)械富裕的澆筑能力，確立了兩倉(cāng)聯(lián)合澆筑的施工機(jī)械優(yōu)化配置的優(yōu)化指標(biāo)及約束條件，建立施工機(jī)械優(yōu)化配置模型，通過(guò)對(duì)施工任務(wù)的分析，建立機(jī)械配置優(yōu)化方案，極大程度改進(jìn)了機(jī)械工作效率，顯著增加了施工強(qiáng)度，縮短施工工期，對(duì)同類型工程施工進(jìn)度優(yōu)化有一定指導(dǎo)意義。